基于STM32的步进电机转速控制实验设计
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本系统采用 STM 32作为主控制器, 其拥有先进 的 Cortex - M 3内核架构, 与传统的 8051, ARM 7TDM I 内核相比有以下优点: ( 1)二级流水线哈佛架构 ( 2)
单周期乘法指令和硬件除法指令, 实现了出色的效率 ( 1. 25DM IPS /MH z) ( 3) 内置快速的中断控制器, 提供 了优越的实时特性 ( 4) 与 ARM7TDM I相比运行速度 最多可快 35% 且代码最多可节省 45% [ 2] 。
步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位 移的开环控制元件, 驱动器的作用使其步进化、数字 化。在不超载的情况下, 步进电机的转速、停止的位 置, 只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 而不受负载 的限制。基于步进电机的诸多优点, 它已在工业自 动化设备等许多领域得到广泛应用。因此提出更全 面、精 度 更 高 的 步 进 电 机 控 制 方 式 变 得 更 加 重要 [ 1] 。
图 4 电机驱动电路
2 调速与显示实验
2. 1 调速实验 电路设计中利用电位器阻值的变化, 产生输入
端变化电压值, 通过内部 AD 转换后的数值来改变 脉冲频率和占空比, 从而可对步进电机的运行速度 进行控制。在电路连接中, 电位器一端接地, 另一端 与固定电阻串联接 3. 3V, 同时连接 STM 32的 AD 引 脚, 利用变化的阻值来改变输入电压值。 STM 32根 据内部参考电压将输入模拟电压转 换为对应数字 值。设 置 VR+ = 3. 3V , VR- = 0V , 转 换 公 式 为 N AD C = 4095 ( VIN - VR- ) / ( VR+ + VR- )
3 总结
系统以高性价比的 STM 32为主控制器, 经过运 行调试, 能够很好地捕捉到传感器的信号, 并根据信 号对步进电机的运转方向 与运行速度进行 灵活控 制, 实时性好, 可靠性高, 可扩展性强。相信该设计 的成功能够使得 STM 32在电机控制等诸多实际场 合得到更广泛的应用 [ 10] 。
其中 VR+ 为参考电压正端, VR- 为参考电压负 端, VIN 为输入电压, NADC为转换后数字值。
PWM 由 STM 32内部定时器产生。通过改变相 关寄存器配置来改变脉冲频率与占空比。 PWM 配 置分以下几个步骤: ( 1) 定时器时钟经预分频器分 频后为计数器提供时钟; ( 2) 重装载寄存器和输出 比较寄存器的数值不断与计数器比较; ( 3) 计数器 的数值与重装载寄存器相等时, 复位计数器并翻转 输出信号; ( 4) 计数器数值与输出比较寄存器相等 时, 翻转输出信号。
晏英俊, 等: 基于 STM 32的步进电机转速控制实验设计
61
VSS, VSS可接 4. 5~ 7 V 电压。 VS接电源电压 2. 5 ~ 46 V, 输出电流 可达 2. 5A, 可 驱动电感 性负载。 内部包含四通道逻辑驱动电路, 可以方便的驱动两 个直流电机或一个两相步进电机。
电机驱动电路如图 4所示, CPU 通过 IN1- IN4 将信号送入 L298N芯片, 通过电平的变换控制电机 运动方向; 通过给 ENA、ENB发送 PWM 信号对电机 进 行 调 速, PWM 信 号 由 STM 32 内 部 进 行 设 置 产生 [ 8] 。
除了内核性能出众之外, STM 32在功耗控制和 开发周期等方面也表现出色。与传统的单片机控制 相比, STM 32提供了三种低功耗模式和灵活的时钟 控制机制, 用户可根据所需耗电要求进行合理优化。 同时 STM 32有丰富外设功能, 从而使系统的整体性 能得到提升。 ST 还提供了完整的开发工具和库函 数, 使得用户方便地访问 STM 32各个标准外设。因
ISSN 1672- 4305 CN 12 - 1352 /N
实验室科学 LABORATORY SC IEN CE
第 13卷 第 6 期 2010年 12 月 V ol 13 N o 6 D ec 2010
基于 STM 32的步进电机转速控制实验设计
晏英俊,来自百度文库张自强
( 上海师范大学 信息与机电工程学院, 上海 200234)
[ 3] 薛钧义. 微机控制 系统及其 应用 [M ]. 西安: 西 安交通 大学出 版社, 2003: 203- 268.
[ 4] 张志杰, 赵旭. 等. 单片机实验 教学改革初探 [ J]. 实验科学与 技术, 2008, 6( 1) : 86 - 88.
[ 5] 徐煜明. 步进 电机速 度控 制的研 究与 实现 [ J] . 工矿 自动化, 2007 ( 2) : 82 - 84.
1. 1 信号调理电路 信号调理电路如图 2 所示, 信号放大电路选用
AD620芯片, 带宽 120KH z( G = 100, G 为增益 ) , 具 有优良的 AC特性, 电源工作范围很宽: 2. 3V ~ 18V , 仅需一个外接电阻就能得到 1~ 10000内的任 意增益范围, 如式 ( 1) 所示:
摘 要: STM 32包含 Co rtex - M 3内核, 具有低功耗, 丰富片内 外设, 处理速 度快等特点, 典型应用于 数据采 集处理系 统。文章 介绍了一种基于 STM 32的步进电机转速控制 实验设计。与 传统的单片 机电机控 制相比, 它 具有处理速度快, 功能完善等优点。 STM 32根据送入的传感 器信号 操控电 机运转, 并 显示电 机工作 状态。文 章给出了具体的实验电路的硬件设计及软件设计流程, 并给 出部分实 验说明。经 实践证 明该实 验系统 稳定可 靠, 具有 较好的实验教学效果。 关键词: STM 32; Cortex- M 3; PWM; 步进电机 中图分类号: TN 740 文献标识码: B do:i 10. 3969/ .j issn. 1672- 4305. 2010. 06. 021
G = 49. 4K /RG + 1
( 1)
其中 G 为 增益, 为 RG 外接电 阻, V CC 为 + 3V
供电电压, VCC- 为 - 3V 供电电源。为防止信号产
生混叠现象, 运用巴特沃斯低通滤波器方法, 设计了 一个无增益的四阶有源低通滤波器 [ 6] 。
图 2 信号调理电路
1. 2 内部 AD转换
Ab stract: Based on Cortex - M 3 kerne,l STM 32 has dist inguished feature such as low - pow er, abun dant interna l per ipherals, quick processing speed and so on. It s' typically applied in data acqu isition system. Step m otor ro tational speed contro l design based on STM 32 is introduced in this paper. Com paring w ith tradit iona l sing lech ip, it hasm any advantages such as fast processing and perfect func ion. STM 32 m an ipulate step m oto r acco rd ing to senso r signa l and disp lay operating state. Th is article has g iven deta ils in hardw are design and softw are procedure, attach ing part o f exper im ent descrip tion. Th is experim ent system has proved to be stable and reliab le through practice, w hich is supposed to be great effect of experim en t teaching. Key w ord s: STM 32; Cortex- M 3; PWM; step m oto r
将外部的模 拟信 号传 入 CPU 后, 进行 AD 转 换。 STM 32内部含有快速的 12位 AD 转换器, 其主 要特点有: ( 1) 采样速度快, 最高可达 1MH z; ( 2) 转 换精度为 12位; ( 3) 配置有 18路通道, 可测量 16个 外部和 2个内部信号源; ( 4) 多种模数转换模式, 包 括单次、连续、扫描或间断模式。
图 1 系统结构
传感器信号采样是对外部传感器送入的信号进 行放大 滤波, 将整 理过 的信 号传 给 STM 32。随后 STM 32将传入的模拟信号进行内部 AD转换, 根据
转换结果作出相应决策, 将正转、停止、反转等信号 送给电机驱动模块, 同时将状 态发送给显示模 块。 由于 STM 32的供电电压与驱动电机的供电电压不 同, 需要进行电压隔离。因此添加光电耦合模块来 避免电压差所造成的电路影响和器件损坏。电机驱 动模块中的驱动芯片将接收到的电平信号和 PWM 信号转换为驱动信号, 从而实现对步进电机控制与 调速 [ 5] 。
信号采样流程如图 3所示。在设定完时钟源和 工作模式后, 开启 AD 采 样通道并进行 多次转换。 每次转换完成, 转换结果存放在相应的寄存器中, 由 相应的中断标志置位来表示转换结束 [ 7] 。
1. 3 电机驱动电路
步进电机采用两相四线混合式步进电机。步进
图 3 内部 AD 转换流程
电机的驱动电路根据控制信号工作。通过正序或反 序通电换相来控制电机的运动方向, 通过控制脉冲 的频率来对电机进行调速。本系统的电机驱动芯片 选用 L298N, 该芯片可接受标准 TTL 逻辑电平信号
A design of step m otor based on STM 32
YAN Y ing- jun, ZHANG Z i- qiang
( Co llege of Info rm ation and E lectrom echanical Eng ineering, Shanghai Norm a l Un iversity, Shangha i 200234, China)
60 此它与传统的单片机系统设计相比, 大大缩短了系 统开发时间 [ 3] 。
1 系统简介
系统将采集的传感器信号经过处理后送入主控 制器, 主控制器根据不同的信号状态作出判断, 从而 控制步进电机的运转模式和运行速度, 同时显示电 机的运作情况和转动速度。系统以 STM 32微控制 器为核心控制部件, 包括电源供给模块, 信号整理模 块, 光耦隔离模块, 数码管显示模块, 步进电机驱动 模块等, 实验系统结构如图 1所示 [ 4] 。
将 AD转换结果与定时器寄存器配置相结合就能 调整脉冲频率与占空比, 从而实现对步进电机运行速
度的控制。通过旋动电位器, 可以直观地感受到, 随着 阻值的增加与减小, 电机运行速度相应加快与减慢 [ 9] 。 2. 2 显示实验
显示实验分为两个功能: 电机工作状态显示与 电机运行速度显示。通过拨动开关对显示功能进行 选择。当开关处于工作状态显示, MCU 控制步进电 机旋转方向的同时, 将该信号发送给数码显示模块, 从而实时显示当前电机工作状态; 当开关处于运行 速度显示, M CU 根据定时器中配置的脉冲频率和步 进电机的步距角, 可以计算出相应旋转时间与角度, 从而显示电机的运行速度。
参考文献 ( Re ferences):
[ 1] 王永虹, 徐炜. STM 32系列 ARM C ortex- M 3微控制器原理与实 践 [ M ] . 北京: 北京航空航天大学出版社, 2008: 22- 408.
[ 2] 姚文详. ARM C ortex- M 3 权威指 南 [ M ]. 北京: 北京航 空航天 大学出版社, 2009: 1- 263.
单周期乘法指令和硬件除法指令, 实现了出色的效率 ( 1. 25DM IPS /MH z) ( 3) 内置快速的中断控制器, 提供 了优越的实时特性 ( 4) 与 ARM7TDM I相比运行速度 最多可快 35% 且代码最多可节省 45% [ 2] 。
步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位 移的开环控制元件, 驱动器的作用使其步进化、数字 化。在不超载的情况下, 步进电机的转速、停止的位 置, 只取决于脉冲信号的频率和脉冲数, 而不受负载 的限制。基于步进电机的诸多优点, 它已在工业自 动化设备等许多领域得到广泛应用。因此提出更全 面、精 度 更 高 的 步 进 电 机 控 制 方 式 变 得 更 加 重要 [ 1] 。
图 4 电机驱动电路
2 调速与显示实验
2. 1 调速实验 电路设计中利用电位器阻值的变化, 产生输入
端变化电压值, 通过内部 AD 转换后的数值来改变 脉冲频率和占空比, 从而可对步进电机的运行速度 进行控制。在电路连接中, 电位器一端接地, 另一端 与固定电阻串联接 3. 3V, 同时连接 STM 32的 AD 引 脚, 利用变化的阻值来改变输入电压值。 STM 32根 据内部参考电压将输入模拟电压转 换为对应数字 值。设 置 VR+ = 3. 3V , VR- = 0V , 转 换 公 式 为 N AD C = 4095 ( VIN - VR- ) / ( VR+ + VR- )
3 总结
系统以高性价比的 STM 32为主控制器, 经过运 行调试, 能够很好地捕捉到传感器的信号, 并根据信 号对步进电机的运转方向 与运行速度进行 灵活控 制, 实时性好, 可靠性高, 可扩展性强。相信该设计 的成功能够使得 STM 32在电机控制等诸多实际场 合得到更广泛的应用 [ 10] 。
其中 VR+ 为参考电压正端, VR- 为参考电压负 端, VIN 为输入电压, NADC为转换后数字值。
PWM 由 STM 32内部定时器产生。通过改变相 关寄存器配置来改变脉冲频率与占空比。 PWM 配 置分以下几个步骤: ( 1) 定时器时钟经预分频器分 频后为计数器提供时钟; ( 2) 重装载寄存器和输出 比较寄存器的数值不断与计数器比较; ( 3) 计数器 的数值与重装载寄存器相等时, 复位计数器并翻转 输出信号; ( 4) 计数器数值与输出比较寄存器相等 时, 翻转输出信号。
晏英俊, 等: 基于 STM 32的步进电机转速控制实验设计
61
VSS, VSS可接 4. 5~ 7 V 电压。 VS接电源电压 2. 5 ~ 46 V, 输出电流 可达 2. 5A, 可 驱动电感 性负载。 内部包含四通道逻辑驱动电路, 可以方便的驱动两 个直流电机或一个两相步进电机。
电机驱动电路如图 4所示, CPU 通过 IN1- IN4 将信号送入 L298N芯片, 通过电平的变换控制电机 运动方向; 通过给 ENA、ENB发送 PWM 信号对电机 进 行 调 速, PWM 信 号 由 STM 32 内 部 进 行 设 置 产生 [ 8] 。
除了内核性能出众之外, STM 32在功耗控制和 开发周期等方面也表现出色。与传统的单片机控制 相比, STM 32提供了三种低功耗模式和灵活的时钟 控制机制, 用户可根据所需耗电要求进行合理优化。 同时 STM 32有丰富外设功能, 从而使系统的整体性 能得到提升。 ST 还提供了完整的开发工具和库函 数, 使得用户方便地访问 STM 32各个标准外设。因
ISSN 1672- 4305 CN 12 - 1352 /N
实验室科学 LABORATORY SC IEN CE
第 13卷 第 6 期 2010年 12 月 V ol 13 N o 6 D ec 2010
基于 STM 32的步进电机转速控制实验设计
晏英俊,来自百度文库张自强
( 上海师范大学 信息与机电工程学院, 上海 200234)
[ 3] 薛钧义. 微机控制 系统及其 应用 [M ]. 西安: 西 安交通 大学出 版社, 2003: 203- 268.
[ 4] 张志杰, 赵旭. 等. 单片机实验 教学改革初探 [ J]. 实验科学与 技术, 2008, 6( 1) : 86 - 88.
[ 5] 徐煜明. 步进 电机速 度控 制的研 究与 实现 [ J] . 工矿 自动化, 2007 ( 2) : 82 - 84.
1. 1 信号调理电路 信号调理电路如图 2 所示, 信号放大电路选用
AD620芯片, 带宽 120KH z( G = 100, G 为增益 ) , 具 有优良的 AC特性, 电源工作范围很宽: 2. 3V ~ 18V , 仅需一个外接电阻就能得到 1~ 10000内的任 意增益范围, 如式 ( 1) 所示:
摘 要: STM 32包含 Co rtex - M 3内核, 具有低功耗, 丰富片内 外设, 处理速 度快等特点, 典型应用于 数据采 集处理系 统。文章 介绍了一种基于 STM 32的步进电机转速控制 实验设计。与 传统的单片 机电机控 制相比, 它 具有处理速度快, 功能完善等优点。 STM 32根据送入的传感 器信号 操控电 机运转, 并 显示电 机工作 状态。文 章给出了具体的实验电路的硬件设计及软件设计流程, 并给 出部分实 验说明。经 实践证 明该实 验系统 稳定可 靠, 具有 较好的实验教学效果。 关键词: STM 32; Cortex- M 3; PWM; 步进电机 中图分类号: TN 740 文献标识码: B do:i 10. 3969/ .j issn. 1672- 4305. 2010. 06. 021
G = 49. 4K /RG + 1
( 1)
其中 G 为 增益, 为 RG 外接电 阻, V CC 为 + 3V
供电电压, VCC- 为 - 3V 供电电源。为防止信号产
生混叠现象, 运用巴特沃斯低通滤波器方法, 设计了 一个无增益的四阶有源低通滤波器 [ 6] 。
图 2 信号调理电路
1. 2 内部 AD转换
Ab stract: Based on Cortex - M 3 kerne,l STM 32 has dist inguished feature such as low - pow er, abun dant interna l per ipherals, quick processing speed and so on. It s' typically applied in data acqu isition system. Step m otor ro tational speed contro l design based on STM 32 is introduced in this paper. Com paring w ith tradit iona l sing lech ip, it hasm any advantages such as fast processing and perfect func ion. STM 32 m an ipulate step m oto r acco rd ing to senso r signa l and disp lay operating state. Th is article has g iven deta ils in hardw are design and softw are procedure, attach ing part o f exper im ent descrip tion. Th is experim ent system has proved to be stable and reliab le through practice, w hich is supposed to be great effect of experim en t teaching. Key w ord s: STM 32; Cortex- M 3; PWM; step m oto r
将外部的模 拟信 号传 入 CPU 后, 进行 AD 转 换。 STM 32内部含有快速的 12位 AD 转换器, 其主 要特点有: ( 1) 采样速度快, 最高可达 1MH z; ( 2) 转 换精度为 12位; ( 3) 配置有 18路通道, 可测量 16个 外部和 2个内部信号源; ( 4) 多种模数转换模式, 包 括单次、连续、扫描或间断模式。
图 1 系统结构
传感器信号采样是对外部传感器送入的信号进 行放大 滤波, 将整 理过 的信 号传 给 STM 32。随后 STM 32将传入的模拟信号进行内部 AD转换, 根据
转换结果作出相应决策, 将正转、停止、反转等信号 送给电机驱动模块, 同时将状 态发送给显示模 块。 由于 STM 32的供电电压与驱动电机的供电电压不 同, 需要进行电压隔离。因此添加光电耦合模块来 避免电压差所造成的电路影响和器件损坏。电机驱 动模块中的驱动芯片将接收到的电平信号和 PWM 信号转换为驱动信号, 从而实现对步进电机控制与 调速 [ 5] 。
信号采样流程如图 3所示。在设定完时钟源和 工作模式后, 开启 AD 采 样通道并进行 多次转换。 每次转换完成, 转换结果存放在相应的寄存器中, 由 相应的中断标志置位来表示转换结束 [ 7] 。
1. 3 电机驱动电路
步进电机采用两相四线混合式步进电机。步进
图 3 内部 AD 转换流程
电机的驱动电路根据控制信号工作。通过正序或反 序通电换相来控制电机的运动方向, 通过控制脉冲 的频率来对电机进行调速。本系统的电机驱动芯片 选用 L298N, 该芯片可接受标准 TTL 逻辑电平信号
A design of step m otor based on STM 32
YAN Y ing- jun, ZHANG Z i- qiang
( Co llege of Info rm ation and E lectrom echanical Eng ineering, Shanghai Norm a l Un iversity, Shangha i 200234, China)
60 此它与传统的单片机系统设计相比, 大大缩短了系 统开发时间 [ 3] 。
1 系统简介
系统将采集的传感器信号经过处理后送入主控 制器, 主控制器根据不同的信号状态作出判断, 从而 控制步进电机的运转模式和运行速度, 同时显示电 机的运作情况和转动速度。系统以 STM 32微控制 器为核心控制部件, 包括电源供给模块, 信号整理模 块, 光耦隔离模块, 数码管显示模块, 步进电机驱动 模块等, 实验系统结构如图 1所示 [ 4] 。
将 AD转换结果与定时器寄存器配置相结合就能 调整脉冲频率与占空比, 从而实现对步进电机运行速
度的控制。通过旋动电位器, 可以直观地感受到, 随着 阻值的增加与减小, 电机运行速度相应加快与减慢 [ 9] 。 2. 2 显示实验
显示实验分为两个功能: 电机工作状态显示与 电机运行速度显示。通过拨动开关对显示功能进行 选择。当开关处于工作状态显示, MCU 控制步进电 机旋转方向的同时, 将该信号发送给数码显示模块, 从而实时显示当前电机工作状态; 当开关处于运行 速度显示, M CU 根据定时器中配置的脉冲频率和步 进电机的步距角, 可以计算出相应旋转时间与角度, 从而显示电机的运行速度。
参考文献 ( Re ferences):
[ 1] 王永虹, 徐炜. STM 32系列 ARM C ortex- M 3微控制器原理与实 践 [ M ] . 北京: 北京航空航天大学出版社, 2008: 22- 408.
[ 2] 姚文详. ARM C ortex- M 3 权威指 南 [ M ]. 北京: 北京航 空航天 大学出版社, 2009: 1- 263.